El MAM resguarda uno de los mayores acervos de arte mexicano del siglo XX, conformado por alrededor de 3 mil pinturas, esculturas, fotografías, dibujos y grabados en constante proceso de catalogación e integración. Tal y como hoy se conoce, la colección no corresponde al acervo original.

En 1974, la colección formada por Alvar Carrillo Gil dejó de estar en custodia del mam para integrarse definitivamente y de manera independiente al Museo de Arte Carrillo Gil. Por otro lado, en 1981 se cedieron al Museo Nacional de Arte obras del siglo XIX que representan un antecedente o una transición a las vanguardias del siglo XX.

La primera mitad del siglo xx está representada por cerca de 358 obras. Muchas de ellas proviene de las décadas de 1930, 1940 y 1950, y pertenecen a Ángel Zárraga, Gerardo Murillo (Dr. Atl), Roberto Montenegro, Diego Rivera, David Alfaro Siqueiros, José Clemente Orozco, Abraham Ángel, Manuel Rodríguez Lozano, Frida Kahlo, Carlos Orozco Romero y Rufino Tamayo; y a otros miembros en la Escuela Mexicana de Pintura como Julio Castellanos, María Izquierdo, Luis Ortiz Monasterio, Agustín Lazo y Juan O´Gorman. Hay también obra fotográfica de Manuel Álvarez Bravo, Tina Modotti y Edward Weston.